Теперь химики из Университета Делавэра Джоэл Розенталь и Эрик Блох сообщают, что можно производить MOF-материалы на основе железа напрямую, используя возобновляемую электроэнергию при комнатной температуре.
Разработанный UD метод на 96% эффективен в использовании электричества для быстрого, надежного и недорогого формирования MOF-материалов. Исследователи UD сообщили об этом в новой статье, опубликованной в ACS Central Science, журнале Американского химического общества.
По словам Розенталя, профессора химии и биохимии в Колледже искусств и наук Университета штата Вашингтон, простой способ представить себе MOF – это вообразить игрушки, в которых кластеры атомов металла представляют собой деревянные колеса игрушки, а маленькие органические молекулы представляют собой веретенообразные палочки, которые соединяют кластеры вместе.
Между ними есть пустоты с огромным потенциалом для хранения и разделения химических веществ. Например, куча материала MOF размером с горошину имеет внутреннюю поверхность размером с два футбольных поля, которые можно использовать для хранения газов, таких как метан или водород, разделения газов и катализаторов реакций. Их даже можно использовать как датчики.
«Качество материалов, которые мы можем производить, настолько хорошее, что вы можете ожидать от лучших термических методов, но гораздо более масштабируемое и устойчивое», – сказал Розенталь, эксперт в области электрохимии. "Наше открытие – важный шаг вперед в превращении MOF в более практичный вариант для множества различных приложений."
Электричество управляет химией
Одна из проблем, которая ограничивает возможности использования MOF в академических лабораториях, заключается в том, что их производство в больших масштабах является трудным и не особенно экологически безопасным. Итак, у Розенталя возникла идея начать использовать электричество для запуска синтеза MOF.
Использование электричества позволяет легко регулировать количество энергии, вводимой в синтетический процесс при комнатной температуре, создавая более безопасный способ изготовления MOF без высоких температур, высокого давления и иногда токсичных реагентов, которые обычно используются.
Поднимитесь к подножию Мемориального моста Делавэра, и по обе стороны от Делавэра и Нью-Джерси вы увидите химические заводы размером с небольшую арену или стадион. Эти заводы содержат несколько реакторов, которые проводят несколько различных химических реакций, чтобы сделать химические вещества полезными для общества.
«Для эффективного выполнения многих термохимических процессов в коммерческих или товарных масштабах обычно требуются большие площади и очень дорогая инфраструктура, но электрохимия дает возможность нарушить эти правила», – сказал Розенталь. "Вам не нужно строить гигантский электрохимический завод, чтобы эффективно масштабировать электрохимический метод. Электросинтез часто бывает более универсальным с точки зрения перевода из академической лаборатории на коммерческий рынок."
Хотя химия не так проста, как если бы ребенок сидел в гостиной, соединяя палки и колеса. Достижения в области синтеза MOF на сегодняшний день ограничены комбинациями металлов, которые можно использовать, и видами синтетических и органических материалов, которые можно комбинировать с использованием термических подходов.
В статье особое внимание уделяется приготовлению материалов MOF с использованием кластеров атомов железа. Розенталь и Блох не первые, кто сделал железные MOF.
По традиции, объяснил Розенталь, исследователи производят эти материалы, беря соль железа (3+), органическую молекулу и относительно дорогой растворитель, который разлагается при определенных условиях реакции, и нагревая все это в герметичном контейнере при высоком давлении в течение как минимум одного дня. , иногда несколько дней, а затем откройте его и посмотрите, что они получат.
Напротив, он и Блох начинают с раствора, содержащего растворитель, органические молекулы и ионы железа (2+), у которых есть дополнительный электрон, который изменяет поведение железа. Исследователи используют электрод, сделанный либо из углерода, либо из проводящего стекла, чтобы пропускать электричество через раствор и переключать заряд металлических частиц в растворе с железа (2+) на железо (3+). Это похоже на выключатель, повышающий заряд железа, чтобы он мог производить MOF прямым и эффективным способом, без побочных реакций или эффектов, типичных для традиционных методов термической химии.
"Поскольку электрод забирает электроны из железа, это железо находит органический линкер и образует некоторое количество MOF. Он почти на 100% эффективен, поскольку каждый электрон, который мы перемещаем, приводит к синтезу MOF. «Нет никаких побочных реакций или нежелательных продуктов», – сказал Блох, доцент кафедры химии и биохимии, специализирующийся на металлоорганических каркасах и адсорбционных материалах.
Кроме того, если использовать правильный тип электрода, можно сделать больше, чем просто создать и собрать продукт MOF.
Исследовательская группа может выращивать материал непосредственно на электропроводящей подложке, что дает возможность использовать MOF в различных устройствах и узорчатых опорах, делая передовые датчики MOF в пределах досягаемости.
Розенталь объяснил, что для превращения MOF в датчик вам нужен способ соединения его с электропроводящей опорой для получения показаний. Он сказал, что до сих пор исследовательское сообщество не придумало, как добиться хороших результатов. Электрохимический синтез и наращивание MOF на опоре электродов группы UD обеспечивает способ подключения MOF для лучшей связи между материалами.
Один из способов использования этой технологии – это миниатюрные датчики, например, в сотовых телефонах, для измерения качества воздуха или выборочного обнаружения частиц в воздухе в рамках мер безопасности в аэропортах.
«Обнаружение газов и молекул теперь может быть довольно простым, подобно тому, как работает ваш детектор дыма, чтобы определять один тип газа над другим на основе его реакционной способности», – сказал Блох.
Электросинтетическая реакция также происходит быстро, в результате чего порошок MOF образуется в растворе в течение нескольких минут. И хотя материалы, которые слишком долго находятся в растворе, часто со временем разлагаются или становятся совершенно другим материалом из-за побочных реакций, материалы MOF, созданные посредством электросинтеза, стабильны и просто оседают на дно флакона.
Поскольку процесс электросинтеза осуществляется при комнатной температуре, разложение материала вызывает гораздо меньшую озабоченность.
Чем дольше длится электролиз, тем большее количество материала MOF может быть удалено в виде продукта. По словам исследователей, простота метода делает его универсальным с точки зрения перевода его из академической лаборатории на коммерческий рынок.
Аспирантка Анна Уивер, соавтор статьи, приехала в UD только этим летом, но Розенталь сказала, что она сыграла ключевую роль в демонстрации эффективности метода команды.
Уивер провел несколько экспериментов на поздних стадиях, которые предоставили дополнительные данные для статьи.
"Способность Анны так быстро вносить свой вклад говорит как о ее талантах, так и о легкости, с которой эта химия может быть осуществлена. Не нужно изучать темное искусство, чтобы это работало », – сказал он.
Электрохимия также открывает двери для изучения материалов, которые, как было предсказано, обладают превосходными свойствами для MOF, например, на основе кобальта, но остаются неизвестными, поскольку они несовместимы с традиционными химическими соединениями, которые полагаются на тепло для запуска реакции.
«В качестве катализаторов мы знаем, что некоторые металлы были бы феноменальными в качестве MOF, но обычные методы не работают.
Мы думаем, что это путь к созданию новых MOF, которые будут стабильными и очень реактивными, с совершенно другими свойствами, чем мы могли получить раньше », – сказал Блох.
Среди других соавторов статьи – нынешние или бывшие аспиранты UD в лабораториях Розенталя и Блоха, в том числе Венбо Ву, Джеральд Э. Декер и Аманда Арнофф.